Development of fluorescent probes highly sensitive to membrane potential and their design principles

2018 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 16K05740
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Functional solid state chemistry
• Research Institution: Utsunomiya University
• Principal Investigator: Toru Oba 宇都宮大学, 工学部, 教授 (30291793)
• Research Collaborator: NAKAI Junichi 埼玉大学, 脳抹消科学研究センター, 教授 ; OHKURA Masamichi 埼玉大学, 脳抹消科学研究センター, 准教授 ; WAKAMORI Minoru 東北大学, 歯学部, 教授 ; YOSHIDA Takashi 東北大学, 歯学部, 助教 ; MASUYA Takuto , 大学院生 ; MIYATA Kota , 大学院生 ; SAKAGUCHI Ryo , 大学院生 ; MITOME Takahiro , 大学院生 ; IWAKAMI Rino , 大学院生 ; SHINOTSUKA Ryo , 大学院生 ; ANJU Shintaro , 大学院生 ; TANAZAWA Kimitaka , 大学院生 ; NARITA Airi , 大学院生 ; YOSHIZAWA Yuka , 大学院生
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 蛍光プローブ / 膜電位 / 神経細胞 / イメージング / 超分子 / ケミカルバイオロジー

Outline of Final Research Achievements

We synthesized novel environment-sensitive fluorophores using a unique fluorogenic core quinolyl-pyrrole (QP). The obtained dyes showed strong fluorescence solvatochromism, but their absorption spectra remained nearly unchanged. The introduction of a dimethylaminophenylethynyl moiety at the quinoline side of the QP resulted in a change in the fluorescence color from blue to red within a narrow relative permittivity range of roughly 2-10. The dye reflected voltage changes across liposomal membranes, showing a 3.7-fold enhanced fluorescence intensity when tested under the same conditions as di-4-ANEPPS, a popular voltage sensitive dye, which only changed its fluorescence intensity by a factor of 1.2. The voltage sensitivity of the dye was calculated to be 2.3%/mV. These dyes may be utilized for the studies on the activities of neurons or chloroplasts.

Free Research Field

生物有機化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により，新たな高感度膜電位感受性色素を開発する基礎ができたことは，神経回路の解析研究の進展を通して，将来の精神疾患や認知症、神経疾患の克服に資すると期待される。また，合成したキノリルピロール類の蛍光特性の解析により，これらが強いソルバトクロミズムを示すことを明らかにできた。このことは今後，高感度な膜電位感受性色素の分子設計指針の確立に利用していく予定である。さらに本研究は，蛋白質中のヒスチジン残基に選択的に反応するリンカー分子を見出した。この分子は神経細胞標的型プローブの開発だけでなく，様々な生体関連分子の開発に利用できると考えられる。